采煤机轴承故障诊断系统设计.pdf

2 0 2 0年第0 8期 采煤机轴承故障诊断系统设计 徐 盛 同煤集团大斗沟煤业公司机安队, 山西 大同 0 3 7 0 0 0 摘 要 采煤机轴承是采煤机的核心组成结构, 轴承故障往往会导致采煤机无法工作, 针对同煤某煤矿存在的轴承 故障诊断不准确问题, 基于模糊B P神经网络与专家诊断系统结合的方法, 采用多分类组合器构建多层次 采煤机轴承故障诊断系统, 通过多层次特征参数的检测来实现采煤机轴承故障的准确诊断。 关键词 采煤机;B P神经网络; 特征参数; 轴承故障; 故障诊断 中图分类号 T D 4 2 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 8. 0 5 5 0 引言 采煤机是大型的重要煤矿开采设备, 在2 0 2 0年3月 期间同煤某煤矿因采煤机轴承故障导致作业中断的情况 发生了三次, 严重影响煤矿采煤进度, 针对该难点, 公司 成立专门攻关项目组, 结合采煤机组成特点以及轴承故 障类型, 运用模糊B P神经网络与专家诊断系统结合的方 法进行故障诊断系统研究, 目标是实现采煤机轴承故障 信息发生前的预判与发生后的准确定位功能, 提高采煤 机轴承故障的诊断效率, 提升采煤机的运行效率, 对于该 煤矿具有重要的现实意义。 1 轴承故障诊断系统设计思路 采煤机机械电气组成结构比较复杂, 轴承作为其核 心轴承机构, 运行过程中承担着大量力矩传递任务, 轴承 的磨损以及机械故障发生频率居高不下, 甚至出现多种 故障同时发生, 或者多种故障表现形式相同的情况[ 1]。 基于以上分析, 如果采煤机故障检测采用单一的检测手 段, 极有可能误诊故障, 大大降低轴承故障诊断系统的灵 敏度与准确性[ 2]。本文针对采煤机设计的轴承故障诊断 系统, 采用不同特征域对多个分类器进行组合的方法来 构造混合智能诊断模型, 具体来说就是按照采煤机发生 故障的表现特征, 将每一个故障分解为对应的多个特征 参数, 并对所有参数设计对应的检测手段, 通过各检测特 征参数的组合, 通过中央处理器完成故障定位。该思路 设计的轴承故障诊断系统是多层次的, 对采煤机的轴承 状态能够准确监控。越多的特征参数检测, 系统的辨识 度越高, 得出的结果也越准确, 但系统的复杂程度以及投 入也会越多, 因此, 准确有效地选择检测特征参数, 也是 系统设计的关键。设计思路框架见图1。 2 轴承故障诊断系统设计方案 2. 1 诊断样本的建立 本文的研究对象是采煤机, 轴承的运行状态是采煤 机的关键, 下面以轴承状态检测系统为例进行说明。根 据采煤机的特点, 在诊断样本建立过程中, 需要对采煤机 轴承的四种不同运行状态进行样本采集, 四种状态分别 为采煤机轴承处于正常状态、 采煤机轴承外圈出现故障、 采煤机轴承内圈出现故障和采煤机滚动体出现故障[ 3], 样本采集选择每种状态6 0个样本, 共计2 4 0个样本, 对 其进行记录存储。采煤机的轴承不同状态对应的振动信 号如图2所示。 采煤机轴承故障传统检测手段为通过传感器采集振 动数值, 而轴承故障的种类对振动参数的敏感性并不相 同, 且不同的轴承故障表现的振动数值可能相同, 例如图 2中, 轴承滚动体损伤与内圈损伤, 振动信号可能在一定 周期内表现出相同的振动值, 鉴于此, 混合智能诊断模型 将振动的峰值、 峭度、 波形因子、 脉冲因子以及裕度因子 等5个无量纲的时域参数纳入特征检测范围, 综合判定 采煤机的轴承故障。在选择的5个无量纲时域参数中, 图1 采煤机轴承故障诊断系统设计思路框架 241 自动化应用 工矿自动化 收稿日期 2 0 2 0 - 0 4 - 2 7 作者简介 徐盛 1 9 9 1 , 男, 本科, 毕业于大连海洋大学, 助理工程师, 研究方向为采煤机维修。 2 0 2 0年第0 8期 振动峰值因子对轴承负载过大类故障的敏感性较高, 而 波形因子对滚动轴承的磨损类故障较为敏感, 裕度因子、 峭度、 脉冲因子则对轴承外圈损伤类的故障表征性更强。 针对不同故障的5个无量纲时域参数的样本特征见图3。 2. 2 划分数据集 划分数据集的主要目的是通过不同故障状态下样本 的训练与测试, 使系统对故障的诊断准确性得以提升。 对于轴承损伤故障, 因其损伤程度不同, 对采煤机的影响 程度不同, 攻关小组对轴承损伤进行了三类划分 损伤的 程度为0. 0 0 7 mm、0. 0 1 4 mm和0. 0 2 1 mm, 因此严格来 说, 轴承故障应增加为六类, 共计3 6 0个样本。划分数据 集的主要过程是将六种不同故障共计3 6 0个样本划分为 两部分 训练样本和检测样本。选择训练样本与检测样 本的比例为2∶1, 即每种故障的6 0个样本中,4 0个用来 训练神经网络, 另外2 0个用来检测诊断结果。 2. 3 模型的构建 采煤机轴承故障多数都为机械故障, 需要采集轴承 振动的时域信号作为输入基本参数[ 4]。本模型的建立主 要是将时域参数中有量纲的指标转化为无量纲的指标, 通过与系统组合分类器的对应, 实现特征值的组合, 在训 图2 采煤机的轴承不同状态对应的振动信号 图3 不同故障状态下选取的无量纲时域参数样本 图4 混合智能诊断模型流程图 341 工矿自动化 自动化应用 2 0 2 0年第0 8期 练好的神经网络基础上, 实现故障信息的准确定位。无 量纲指标之所以能够实现准确定位故障, 是因为无量纲 指标与采煤机轴承的运行工况无关。故障诊断模型运行 过程中, 首先将由传感器采集的时域信号转化成的无量 纲指标作为基本输入数据, 然后采用小波包变换, 将输入 的无量纲指标数据进行三层分解, 分解完成后建立特征 集合。故障诊断是依据特征选择完成的, 而对于建立的 特征集合中, 不是所有的特征都对故障定位有益, 例如特 征集合中的不相关特征和冗余特征就会增加模型运行负 担, 且对故障定位并无帮助。针对该难点, 攻关组将振动 信号首先进行中值过滤处理, 即采用一定时间段作为信 号划分周期, 将各周期内的振动信号按照频率进行有序 排列, 然后将中间值作为该周期的振动输出值。各周期 输出值形成新的参数集合, 然后采用小波包分解法对信 号进行分解处理, 提取特征值, 经小波包分解提取的特征 值作为模糊神经网络的输入值, 按照模糊神经网络组合 策略完成参数处理, 输出最后的分类结果。模型如图4 所示。 3 结语 本文针对采煤机轴承故障诊断不准确的问题, 应用 模糊B P神经网络与专家诊断系统结合的方法进行了采 煤机轴承故障诊断系统设计研究, 形成以下结论 1 采用多分类组合器进行特征参数选择, 构建多层 次故障诊断模型, 克服了传统单分类器的局限性, 提高了 故障诊断性能; 2 设计的故障诊断模型将轴承振动的峰值、 峭度、 波形因子、 脉冲因子以及裕度因子等5个无量纲的时域 参数纳入特征检测范围, 不同故障类型对应不同的特征 参数组合, 提升了故障诊断系统的准确性; 3 采用了无量纲指标小波包变换思路, 对系统采集 转换的输入型无量纲指标数据进行三层分解, 建立特征 集合, 基于特征组合完成故障诊断。 参考文献 [ 1] 鄢忠方, 马宏伟, 张旭辉, 等.采煤机多信息故障诊断系统 平台设计[ J].煤矿机电,2 0 1 91 2 9 - 3 4. [ 2] 刘佳喜.采煤机故障诊断与故障预测分析[J].机械管理 开发, 2 0 1 8,3 14 4 7 - 4 8,5 9. [ 3] 张景晖, 甄凤博, 伍学秋.采煤机牵引部故障诊断智能专 家系统[ J].煤矿机械,2 0 1 9,3 31 2 6 5 - 2 6 7. [ 4] 王增强, 车万里, 权振林, 等.电牵引采煤机在线监测与故 障诊断系统研究[ J].重型机械,2 0 1 95 4 1 - 4 4. 上接第1 4 1页 将设计的支架移架降尘装置应用到7号煤层2 0 7 0 3 采面液压支架伸缩梁下端, 该除尘装置体积小, 便于安 装, 在支架移架过程中可以有效减少架间粉尘产生量, 综 合除尘效率可以达到9 8以上, 现场应用效果显著。移 架降尘装置使用前后液压支架之间的粉尘浓度监测结果 如表1所示。 4 总结 1 液压支架移架过程中产生大量的粉尘, 其中尤以 架间空隙粉尘产生量最大, 减少液压支架移架过程中架 间粉尘量对减少液压支架移动过程中粉尘产生量具有重 要推动作用。 2 设计一种结构简单、 降尘效率较高的移架喷雾降 尘装置, 该装置液压油缸与液压支架立柱供液管路连接, 通过感知液压支架立柱供液状态来控制喷雾降尘装置运 行, 实现液压支架移架自动降尘。 3 该移架降尘装置在2 0 7 0 3采面现场应用后, 采面 液压支架移架时架间粉尘浓度从平均9 2 3. 2 m g/m 3 降低 至1 6. 3 m g /m 3, 综合除尘效率可以达到9 8以上, 现场 应用取得显著效果。 参考文献 [ 1] 李利军.采煤机机载喷雾降尘装置改进研究[J].自动化 应用, 2 0 1 91 0 9 3 - 9 4. [ 2] 王春森, 张明鹏.液压支架移架降尘装置的设计[J].内蒙 古煤炭经济, 2 0 1 91 8 1 9 8 - 1 9 9. [ 3] 杨嘉帅.自动 喷雾 降尘 系 统在 综采 工 作面 的应 用实 践 [ J].机电工程技术,2 0 1 9,4 87 2 5 5 - 2 5 6. [ 4] 张少华.液压 支架 降 柱移 架自 动降 尘 装置 的应 用 设计 [ J].煤矿机械,2 0 1 9,4 01 1 3 2 - 1 3 4. [ 5] 赵建成.综采工作面新型设备降尘技术研究[J].山西焦 煤科技, 2 0 1 7,4 11 4 6 - 4 9. [ 6] 魏国山, 张德才, 刘宏伟, 等.利用架间自动喷雾装置解决 综采放顶煤工作面的防尘[ J].煤矿安全,2 0 0 08 4 8 - 5 0. 441 自动化应用 工矿自动化